高比重鎢合金微波燒結(jié)工藝是一種通過微波實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部快速加熱的技術(shù)。其核心在于分段控制氣氛與熱循環(huán)，在真空或惰性環(huán)境中完成致密化。微波燒結(jié)工藝能有效細(xì)化晶粒、降低能耗，并避免氫脆問題，最終使高比重鎢合金獲得優(yōu)于傳統(tǒng)方法的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。
一、高比重鎢合金的微波燒結(jié)工藝的工藝原理
高比重鎢合金的微波燒結(jié)工藝，其原理關(guān)鍵在于微波電磁場與材料的相互作用。微波電磁場會讓材料內(nèi)部的偶極子振動，或者形成渦流，在材料內(nèi)部直接生成熱量，從而實(shí)現(xiàn)由內(nèi)而外的快速加熱。純鎢在低溫時(shí)不太容易吸收微波，但添加進(jìn)去的鎳、鐵、銅這些作為粘結(jié)劑的金屬，卻能夠很好地與微波耦合，從而有效地引發(fā)燒結(jié)反應(yīng)。工程上為了解決低溫段加熱不均的問題，通常還會搭配使用碳化硅材料來輔助加熱。
二、高比重鎢合金的微波燒結(jié)工藝流程
高比重鎢合金采用微波燒結(jié)工藝時(shí)，其核心流程可以概括為以下幾個環(huán)節(jié)。
首先是粉末的預(yù)處理。原料通常選用高純度鎢粉，粒徑大約在1~10μm范圍內(nèi)，并搭配微米級的鎳、鐵、銅等合金元素。為了讓各組分混合均勻，通常采用高能球磨的方式，能實(shí)現(xiàn)接近分子級的均勻分布，如果球磨時(shí)容易出現(xiàn)成分偏析，可以適量加入過程控制劑來防止這種情況發(fā)生。
粉末混合均勻后，就進(jìn)入成形階段。常用的方法是冷等靜壓，壓力保持在100~300 MPa，或者使用雙向模壓技術(shù)，以制備出具有較高相對密度、且微觀結(jié)構(gòu)均勻的生坯，從而為后續(xù)燒結(jié)打下良好的基礎(chǔ)。
成形后的坯體會被放入專用的微波燒結(jié)裝置中，整個過程對氣氛環(huán)境有著嚴(yán)格的分段控制。在500~800℃的脫脂階段，會通入流動的惰性氣體，如氬氣或氮?dú)?，或者低比例的氫混合氣，這時(shí)需要配備防爆系統(tǒng)，通入惰性氣體的目的是安全地去除成形劑，并防止坯體表面氧化。當(dāng)溫度升高到1200℃以上的高溫?zé)Y(jié)階段時(shí)，會切換為真空環(huán)境，這有助于材料孔隙的收縮和致密化，也能避免引入雜質(zhì)。最后的冷卻階段依然保持高真空，可以有效降低合金中的氫含量，從而避免材料因氫脆而性能下降。
除了氣氛，整個燒結(jié)過程的熱循環(huán)控制，即溫度曲線的設(shè)定，也同樣重要。這通常是一個多段式的程序，在脫脂期，需要將升溫速率控制在每分鐘5~10℃，緩慢加熱至500~800℃，確保其中的有機(jī)載體完全分解。進(jìn)入燒結(jié)期后，則以每分鐘30~90℃的較快的速率升溫至1350~1550℃的液相線溫度區(qū)間，并保溫10~60分鐘，使材料完成充分的擴(kuò)散與致密化。隨后的冷卻期，則需要將降溫速率調(diào)節(jié)在每分鐘5~20℃，以抑制因熱應(yīng)力過大而可能產(chǎn)生的缺陷。
燒結(jié)出來的零件，還可以通過后續(xù)加工進(jìn)一步提升性能，比如進(jìn)行熱軋或旋鍛這類熱機(jī)械處理，能夠細(xì)化材料的內(nèi)部組織，把致密度提高到理論值的98%以上。如果使用環(huán)境有特殊要求，也可以在表面用氣相沉積或者熱噴涂的方法加一層功能涂層，來增強(qiáng)它的耐磨、耐腐蝕等實(shí)際使用性能。
高比重鎢合金微波燒結(jié)工藝熱循環(huán)控制
三、高比重鎢合金的微波燒結(jié)工藝的重要控制參數(shù)
要使高比重鎢合金在微波燒結(jié)中達(dá)到高性能，必須對幾個關(guān)鍵方面進(jìn)行精細(xì)把控。
首先，溫度與時(shí)間的把控是核心。脫脂的溫度不能太高太快，否則粘結(jié)劑迅速揮發(fā)容易導(dǎo)致坯體開裂，而燒結(jié)的峰值溫度以及保溫的時(shí)間必須根據(jù)材料配比來定，這兩個參數(shù)直接影響了高比重鎢合金的致密化和晶粒大小。
其次，要把控好燒結(jié)環(huán)境的切換時(shí)機(jī)。前期脫脂往往需要在惰性保護(hù)氣氛中進(jìn)行，以防材料氧化，到了高溫?zé)Y(jié)階段，則需要適時(shí)切換到真空環(huán)境。這個轉(zhuǎn)換的時(shí)機(jī)和氣壓控制非常關(guān)鍵，控制得當(dāng)則既能有效去除雜質(zhì)，又能為高比重鎢合金致密化創(chuàng)造最佳條件。
加熱與冷卻的速率要分階段控制。在脫脂階段，升溫必須平穩(wěn)緩慢，讓粘結(jié)劑有充足的時(shí)間排出，進(jìn)入燒結(jié)階段后，可以利用微波加熱迅速升溫至目標(biāo)溫度。冷卻過程也需要控制，合適的降溫速度有助于減少產(chǎn)品內(nèi)部應(yīng)力，防止變形。
最后，坯體本身的質(zhì)量是基礎(chǔ)。如果生坯的密度不均勻或者內(nèi)部有缺陷，那么在燒結(jié)過程中這些弱點(diǎn)就會被放大，直接影響最終產(chǎn)品的性能。所以，制備出結(jié)構(gòu)完整、密度均勻的坯體是成功的第一步。
四、高比重鎢合金微波燒結(jié)工藝的優(yōu)勢
高比重鎢合金采用微波燒結(jié)工藝，在能耗、組織和性能等方面均體現(xiàn)出優(yōu)勢。微波燒結(jié)工藝能夠?qū)崿F(xiàn)材料的整體均勻加熱，大幅減少了熱能在傳遞過程中的損失，所以能耗通常比傳統(tǒng)燒結(jié)方式更低?？焖俚臒Y(jié)過程有效抑制了晶粒的過度生長，更容易獲得細(xì)小而均勻的內(nèi)部顯微組織。這樣的微觀結(jié)構(gòu)直接帶來了力學(xué)性能的改善，使得高比重鎢合金的硬度和抗拉強(qiáng)度普遍優(yōu)于常規(guī)燒結(jié)制品。此外，微波燒結(jié)工藝能夠?qū)Y(jié)和后續(xù)熱處理合二為一，簡化工序，縮短了整體生產(chǎn)周期。且微波燒結(jié)工藝通常在真空環(huán)境下進(jìn)行，避免了氫等雜質(zhì)元素的滲入，從而顯著提升了產(chǎn)品的服役穩(wěn)定性和長期可靠性。
